Techn. Hochsch., Diss., 2000--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2002--Mainz.

The monarch butterfly (Danaus plexippus) performs one of the most astonishing behaviors in the animal kingdom: every fall millions of these butterflies leave their breeding grounds in North Amerika and migrate more than 4.000 km southwards until they reach their overwintering habitat in Central Mexico. To maintain their migratory direction over this enormous distance, the butterflies use a time-compensated sun compass. Beside this, skylight polarization, the Earth’s magnetic field and specific mountain ranges seem to guide the butterflies as well the south. In contrast to this fascinating orientation ability, the behavior of the butterflies in their non-migratory state received less attention. Although they do not travel long distances, they still need to orient themselves to find food, mating partners or get away from competitors. The aim of the present doctoral thesis was to investigate use of visual cues for orientation in migrating as well as non-migrating monarch butterflies. For this, field experiments investigating the migration of the butterflies in Texas (USA) were combined with experiments testing the orientation performance of non-migratory butterflies in Germany. In the first project, I recorded the heading directions of tethered butterflies during their annual fall migration. In an outdoor flight simulator, the butterflies maintained a southwards direction as long as they had a view of the sun’s position. Relocating the position of the sun by 180° using a mirror, revealed that the sun is the animals’ main orientation reference. Furthermore, I demonstrated that when the sun is blocked and a green light stimulus (simulated sun) is introduced, the animals interpreted this stimulus as the ‘real’ sun. However, this cue was not sufficient to set the migratory direction when simulated as the only visual cue in indoor experiments. When I presented the butterflies a linear polarization pattern additionally to the simulated sun, the animals headed in the correct southerly direction showing that multiple skylight cues are required to guide the butterflies during their migration. In the second project, I, furthermore, demonstrated that non-migrating butterflies are able to maintain a constant direction with respect to a simulated sun. Interestingly, they ignored the spectral component of the stimulus and relied on the intensity instead. When a panoramic skyline was presented as the only orientation reference, the butterflies maintained their direction only for short time windows probably trying to stabilize their flight based on optic-flow information. Next, I investigated whether the butterflies combine celestial with local cues by simulating a sun stimulus together with a panoramic skyline. Under this conditions, the animals’ directedness was increased demonstrating that they combine multiple visual cues for spatial orientation. Following up on the observation that a sun stimulus resulted in a different behavior than the panoramic skyline, I investigated in my third project which orientation strategies the butterflies use by presenting different simulated cues to them. While a bright stripe on a dark background elicited a strong attraction of the butterflies steering in the direction of the stimulus, the inverted version of the stimulus was used for flight stabilization. In contrast to this, the butterflies maintained arbitrary directions with a high directedness with respect to a simulated sun. In an ambiguous scenery with two identical stimuli (two bright stripes, two dark stripes, or two sun stimuli) set 180° apart, a constant flight course was only achieved when two sun stimuli were displayed suggesting an involvement of the animals’ internal compass. In contrast, the butterflies used two dark stripes for flight stabilization and were alternatingly attracted by two bright stripes. This shows that monarch butterflies use stimulus-dependent orientation strategies and gives the first evidence for different neuronal pathways controlling the output behavior. / Der Monarchfalter (Danaus plexippus) vollführt eine der atemberaubendsten Verhaltensweisen im Tierreich: Jeden Herbst verlassen Millionen dieser Schmetterlinge ihre Brutgebiete in Nordamerika und migrieren mehr als 4000 km südwärts bis sie ihr Überwinterungsgebiet in Zentralmexico erreichen. Um ihre Migrationsrichtung über diese enorme Distanz einzuhalten, benutzen die Schmetterlinge einen zeitkompensierten Sonnenkompass. Daneben scheinen polarisiertes Licht, das Erdmagnetfeld und bestimmte Gebirgsketten die Schmetterlinge nach Süden zu führen. Im Gegensatz zu dieser faszinierenden Orientierungsfähigkeit wurde dem Verhalten der Schmetterlinge in ihrem nicht-migrierendem Zustand wenig Beachtung geschenkt. Obwohl diese keine großen Distanzen zurücklegen, müssen sie sich dennoch orientieren, um Futter und Paarungspartner zu finden oder Konkurrenten zu entfliehen. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Nutzung visueller Hinweise für die Orientierung von sowohl migrierenden als auch nicht-migrierenden Monarchfaltern zu untersuchen. Dazu wurden Feldexperimente, in denen die Migration der Schmetterlinge in Texas (USA) untersucht wurden, mit Experimenten, in denen das Orientierungsvermögen von nicht-migrierenden Schmetterlingen in Deutschland getestet wurde, verknüpft. Im ersten Projekt habe ich die Flugrichtung von Schmetterlingen während der jährlichen Herbstmigration aufgezeichnet. In einem Flugsimulator im Freien hielten die Schmetterlinge eine südliche Richtung, solange sie eine freie Sicht auf die Sonne hatten. Eine Versetzung der Sonnenposition um 180° mit Hilfe eines Spiegels zeigte auf, dass die Sonne die wichtigste Orientierungsreferenz der Tiere ist. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die Tiere, wenn die Sonne blockiert und ein grüner Lichtstimulus (simulierte Sonne) eingeschaltet wurde, diese simulierte Sonne als "echte" Sonne interpretierten. Dieser Hinweis reichte jedoch nicht aus, um die Migrationsrichtung festzulegen, wenn er als einziger visueller Hinweis im Labor simuliert wurde. Als ich den Schmetterlingen zusätzlich zur simulierten Sonne ein lineares Polarisationsmuster präsentierte, flogen die Tiere in die richtige, südliche Richtung. Das zeigt, dass mehrere Himmelshinweise erforderlich sind, um die Schmetterlinge während ihrer Migration zu steuern. Im zweiten Projekt habe ich weiterhin gezeigt, dass nicht migrierende Schmetterlinge in der Lage sind eine konstante Richtung relativ zu einer simulierten Sonne beizubehalten. Interessanterweise ignorierten sie die spektrale Komponente des Stimulus und verließen sich stattdessen auf die Intensität. Als ein Panorama als einzige Orientierungsreferenz präsentiert wurde, hielten die Schmetterlinge ihre Richtung nur für kurze Zeitfenster und versuchten vermutlich, ihren Flug basierend auf Informationen des optischen Flusses zu stabilisieren. Als Nächstes untersuchte ich, ob die Schmetterlinge Himmelshinweise und lokale Hinweisen kombinieren, indem ich eine Sonne zusammen mit einem Panorama simulierte. Unter diesen Bedingungen war die Gerichtetheit der Flüge erhöht, was zeigt, dass die Tiere mehrere visuelle Hinweise zur räumlichen Orientierung kombinieren. Beruhend auf der Beobachtung, dass ein Sonnenstimulus zu einem anderen Verhaltensmuster führte als das Panorama, untersuchte ich in meinem dritten Projekt, welche Orientierungsstrategien die Schmetterlinge verwenden. Hierfür präsentierte ich den Tieren verschiedene simulierte Hinweise. Während ein heller Streifen auf dunklem Hintergrund eine starke Anziehungskraft auf die Schmetterlinge, die in die Richtung des Reizes flogen, ausübte, wurde die invertierte Version des Stimulus zur Flugstabilisierung verwendet. Im Gegensatz dazu hielten die Schmetterlinge beliebige Richtungen mit einer hohen Gerichtetheit relativ zu einer simulierten Sonne ein. In einer uneindeutigen Szenerie mit zwei identischen Reizen (zwei helle Streifen, zwei dunkle Streifen oder zwei Sonnenstimuli), die um 180° versetzt waren, wurde eine konstante Flugrichtung nur dann erreicht, wenn zwei Sonnenstimuli gezeigt wurden. Das deutet auf eine Beteiligung des inneren Kompasses der Tiere hin. Im Gegensatz dazu nutzten die Schmetterlinge zwei dunkle Streifen zur Flugstabilisierung und wurden abwechselnd von zwei hellen Streifen angezogen. Dies zeigt, dass Monarchfalter stimulus-abhängige Orientierungsstrategien verwenden, und liefert den ersten Nachweis für unterschiedliche neuronale Verschaltungswege, die das Verhalten steuern.

Vielen Siedlungspflanzen begegnen wir auf Schritt und Tritt. Häufig nehmen wir keine Notiz von ihnen. Dabei sind sie gerade in unseren dicht bebauten Siedlungen für viele Tiere, vor allem für Insekten, von besonderer Bedeutung. In diesem Artenfächer sind wesentliche Informationen zur Bestimmung ausgewählter Siedlungspflanzen in kompakter Form mit zahlreichen Zeichnungen dargestellt. Redaktionsschluss: 29.02.2020

Honigbienen und viele wildlebende Insektenarten leisten durch ihre Blütenbestäubung einen entscheidenden Beitrag zum Erhalt unserer vielfältigen Kulturlandschaften. An vielen Orten ist die Zahl der Insekten in den vergangenen Jahren zurückgegangen. Deswegen sollten Anstrengungen für die Verbesserung der Insektenweide unternommen und die Landschaft und der Siedlungsbereich wieder bienen- und insektenfreundlicher gestaltet werden. Gerade in privaten Gärten bietet es sich an, Blühflächen für Insekten anzupflanzen. Insbesondere in der modernen Gartengestaltung werden oft Flächen mit reduzierter Pflanzenauswahl ausgeführt, die nur kurzzeitig oder gar keine Insektenweide bieten.

Der vorliegende Bericht stellt Ursachen für die Veränderungen der Insektenfauna zusammen. Daraus werden Vorschläge für Maßnahmen in Sachsen abgeleitet und diese inhaltlich sowie räumlich priorisiert. Die Autoren schaffen mit dem Bericht wissenschaftliche Grundlagen und geben Empfehlungen zur weiteren Umsetzung des sächsischen Handlungskonzepts ´Insektenvielfalt. Der Bericht richtet sich an alle Akteure des Naturschutzes und der Landbewirtschaftung. Redaktionsschluss: 20.12.2022

Many arthropods and vertebrates can cling to surfaces using adhesive pads on their legs. These pads are either smooth and characterised by a specialised, soft cuticle or they are hairy, i.e. densely covered with flexible adhesive setae. Animals climbing with adhesive organs are able to control attachment and detachment dynamically while running. The detailed mechanisms of how tarsal pads generate adhesive and frictional forces and how forces are controlled during locomotion are still largely unclear. The aim of this study was to clarify the attachment mechanism of smooth adhesive pads as present in many insects and tree frogs. To understand the function of these fluid-based adhesive systems, I characterized their performance under standardized conditions. To this end, experiments were conducted by simultaneously measuring adhesion, friction, and contact area in single adhesive pads. The first result of this study showed that friction in stick insect attachment pads is anisotropic: Attachment pads regularly detached when slid away from the body. Further analyses of "immobilized" arolia revealed that this anisotropy is not caused by an increased shear stress in the proximal direction, but by the instability of the tarsus when pushed distally. In the second part of this study, I analysed the role of the pad secretion present in insects and tree frogs. In stick insects, shear stress was largely independent of normal force and increased with velocity, seemingly consistent with the viscosity effect of a continuous fluid film. However, measurements of the remaining force two minutes after a sliding movement showed that adhesive pads could sustain considerable static friction in insects and tree frogs. Repeated sliding movements and multiple consecutive pull-offs of stick insect single legs to deplete adhesive secretion showed that on a smooth surface, friction and adhesion strongly increased with decreasing amount of fluid in insects. In contrast, stick insect pull-off forces significantly decreased on a rough substrate. Thus, the secretion does not generally increase attachment but does so only on rough substrates, where it helps to maximize contact area. When slides with stick insect arolia were repeated at one position so that secretion could accumulate, sliding shear stress decreased but static friction remained clearly present. This suggests that static friction in stick insects, which is biologically important to prevent sliding, is based on non-Newtonian properties of the adhesive emulsion rather than on a direct contact between the cuticle and the substrate. % Analogous measurements in toe pads of tree frogs showed that they are also able to generate static friction, even though their pads are wetted by mucus. In contrast to the mechanism proposed for insects, static friction in tree frogs apparently results from the very close contact of toe pads to the substrate and boundary lubrication. In the last section of this study, I investigated adhesive forces and the mode of detachment by performing pull-off measurements at different velocities and preloads. These experiments showed that preload has only an increasing effect on adhesion for faster pull-offs. This can be explained by the viscoelastic material properties of the stick insect arolium, which introduce a strong rate-dependence of detachment. During fast pull-offs, forces can spread over the complete area of contact, leading to forces scaling with area. In contrast, the pad material has sufficient time to withdraw elastically and peel during slow detachments. Under these conditions the adhesive force will concentrate on the circumference of the contact area, therefore scaling with a length, supporting models such as the peeling theory. The scaling of single-pad forces supported these conclusions, but large variation between pads of different stick insects did not allow statistically significant conclusions. In contrast, when detachment forces were quantified for whole insects using a centrifuge, forces scaled with pad contact area and not with length. / Viele Arthropoden und Vertebraten können sich mit Hilfe tarsaler Haftorgane an Oberflächen festhalten. Diese Organe sind entweder glatt, mit einer spezialisierten, weichen Cuticula oder haarig, d.h. dicht besetzt mit mikroskopisch kleinen, biegsamen Hafthaaren. Mit Haftorganen kletternde Tiere können während des Laufens Haftkräfte dynamisch kontrollieren. Die genaueren Mechanismen, mit denen Adhäsions- und Reibungskräfte erzeugt werden und mit denen die Kräfte während des Laufens schnell kontrolliert werden können, sind allerdings noch immer weitgehend unklar. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Haftmechanismus von glatten Haftorganen bei Insekten und Baumfröschen näher aufzuklären. Um die Funktion dieser flüssigkeitsbasierten Haftsysteme zu verstehen, charakterisierte ich ihr Adhäsions- und Reibungsverhalten unter standardisierten Bedingungen. Dazu führte ich Experimente an einzelnen Haftorganen durch, bei denen ich gleichzeitig Adhäsion, Reibung, und Kontaktfläche erfasste. Das erste Ergebnis dieser Arbeit war, dass die Reibung von Insektenhaftorganen von der Bewegungsrichtung abhängt. Ein Haftorgan, das vom Körper weg bewegt wird (distale Richtung), löst sich meist von der Oberfläche ab. Weitere Untersuchungen an Haftorganen bei fixiertem Tarsus zeigten, dass die Richtungsabhängigkeit nicht durch eine erhöhte Scherspannung in der proximalen Richtung hervorgerufen wird, sondern durch die Instabilität des Tarsus, wenn der Fuß vom Körper weg bewegt wird. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchte ich die Rolle des Haftsekrets bei Stabheuschrecken und Baumfröschen. Bei Stabheuschrecken war die Scherspannung unabhängig von der Normalkraft und nahm mit der Bewegungsgeschwindigkeit zu, scheinbar in Einklang mit der viskosen Reibung eines durchgehenden Flüssigkeitsfilms. Jedoch ergaben Scherspannungsmessungen bei Stabheuschrecken und Fröschen selbst zwei Minuten nach einer Gleitbewegung ein beträchtliches Maß an statischer "Rest"-Reibung. Um den Einfluss geringer werdender Haftflüssigkeit zu untersuchen, wurden wiederholte Gleitversuche sowie aufeinanderfolgende Ablöseversuche auf glatten Oberflächen durchgeführt. Diese Experimente zeigten, dass sowohl die Reibungs- als auch die Adhäsionskraft mit abnehmender Flüssigkeitsmenge anstieg. Im Gegensatz hierzu nahm die Adhäsionskraft auf rauen Oberflächen mit abnehmender Haftflüssigkeitsmenge ab. Demzufolge führte die Haftflüssigkeit nur auf rauen Oberflächen zu einer Vergrößerung der Kontaktfläche und zu einer Erhöhung der Adhäsionskraft. Reibungskräfte auf glatten Oberflächen wurden bei Stabheuschrecken umso geringer, je häufiger Reibungsversuche an ein und der selben Stelle durchgeführt wurden (um die Menge an Haftflüssigkeit zu erhöhen). Dennoch blieb immer eine statische Reibung vorhanden. Das Vorhandensein von statischer Reibung ist biologisch wichtig um das unfreiwillige Ausrutschen zu verhindern. Meine Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Haftreibung bei Insekten nicht auf direkte Kontakte zwischen Cuticula und Untergrund zurückzuführen ist, sondern auf die (scherverdünnende) nicht-Newtonschen Eigenschaften des zweiphasigen Haftsekrets. Analoge Messungen an Haftzehen von Baumfröschen zeigten, dass auch diese statische Reibungskräfte erzeugen können, obwohl sie von einem flüssigen Schleim benetzt sind. Im Gegensatz zu dem bei Insekten gefundenen Mechanismus, entsteht bei Fröschen die statische Reibung wahrscheinlich durch Trockenreibung und den sehr nahen Kontakt zur Oberfläche. Im letzten Teil dieser Arbeit untersuchte ich Adhäsionskräfte und den Ablösevorgang durch Haftkraftmessungen bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Normalkräften. Diese Experimente zeigten, dass die Normalkraft nur bei schnellem Ablösen zu höheren Adhäsionskräften führt. Dies ist durch die viskoelastischen Materialeigenschaften der Stabheuschrecken-Arolien erklärbar, die zu einer starken Geschwindigkeitsabhängigkeit des Ablösevorgangs führen. Bei schnellem Ablösen breiten sich die Kräfte über die gesamte Kontaktzone aus, was zu einer Flächenskalierung der Adhäsion führt. Im Gegensatz dazu hat das Haftorgan bei einem langsamen Ablöseprozess genügend Zeit, sich elastisch zurückzuziehen und abzuschälen. Unter diesen Bedingungen konzentriert sich die Kraft am Rand der Kontaktzone, wodurch die Adhäsionskräfte mit einer Länge skalieren, wie z.B. von der "peeling" Theorie vorhergesagt. Die Skalierung von Einzelbein-Haftkräften bestätigte diese Schlußfolgerungen, aber die starke Variation zwischen verschiedenen Stabheuschrecken erlaubte es nicht, diese statistisch abzusichern. Im Gegensatz dazu zeigten die Haftkräfte ganzer Insekten, welche mit Hilfe einer Zentrifuge gemessen wurden, eine deutliche Flächenskalierung.

Zugl.: Göttingen, Univ., Diss., 2008

Konstanz, Univ., Diss., 2005.

Zugl.: Göttingen, University, Diss., 2008.